글_ Jeff Shepard 작성
Digi-Key 북미 지역 편집부 제공
역률 보정(PFC)은 AC/DC 전원 공급 장치, 배터리 충전기, 배터리 기반 에너지 저장 시스템, 모터 구동 및 무정전 전원 공급 장치를 포함한 AC 본선 전력 구동 장비의 효율성을 극대화하는 데 필요합니다. 역률 보정은 특정 전자 장비 유형의 최소 역률(PF) 수준을 명시하는 규정이 있을 정도로 매우 중요합니다.
계속 축소되는 폼 팩터 내에서 전반적인 성능을 개선해야 하는 압박이 지속되는 상황에서 설계자는 이러한 규정을 충족하기 위해 디지털 제어 기술과 실리콘 카바이드(SiC), 질화 갈륨(GaN) 등의 와이드 밴드갭 반도체를 활용하는 능동 PFC 설계로 눈을 돌리고 있습니다.
본 기사에서는 IEEE와 IEC 간 정의의 차이를 비롯한 PF 개념 및 정의와 관련 표준을 살펴보고 설계자가 평가 기판의 사용을 포함한 와이드 밴드갭 반도체와 디지털 제어를 사용하여 PFC를 구현하는 데 사용할 수 있는 STMicroelectronics, Transphorm, Microchip Technology, Infineon Technologies와 같은 벤더의 PFC용 솔루션을 소개합니다.
[원고 내용]
1) 와이드 밴드갭 반도체와 디지털 제어를 사용하여 더 효과적인 역률 보정 설계(1)
2) 와이드 밴드갭 반도체와 디지털 제어를 사용하여 더 효과적인 역률 보정 설계(2)
역률 보정이란 무엇이고 왜 필요한가?
PF는 시스템에서 측정한 무효 전력 수준입니다. 무효 전력은 실제 전력은 아니지만 서로 위상이 다른 볼트와 암페어의 영향을 나타냅니다(그림 1). 위상 차이가 있으므로 작동에 유효하게 기여할 수는 없지만 AC 본선 전원 공급 라인의 부하로 나타납니다. 시스템의 무효 전력량은 에너지 전달의 비효율성을 측정하는 한 가지 척도입니다. 능동 PFC는 전력 전자 부품을 사용하여 부하에 의해 감소하는 전류 파형의 위상 및/또는 모양을 변경하여 PF를 개선합니다. PFC를 사용하면 전체 시스템 효율이 향상됩니다.
선형 또는 비선형 부하에서는 PF가 낮아질 수 있습니다. 비선형 부하에서는 전압 파형이나 전류 파형 또는 둘 다 왜곡됩니다. 비선형 부하가 포함된 경우에는 왜곡 PF라고 합니다.
선형 부하에서는 입력 파형의 모양이 왜곡되지 않지만 유도 용량 및/또는 정전 용량으로 인해 전압과 전류 사이의 상대적 타이밍(위상)이 변경될 수 있습니다(그림 2). 주로 저항 부하(예: 백열등 및 발열체)를 포함하는 전기 회로의 PF는 1.0에 가깝지만 유도 또는 정전 용량 부하(예: 스위치 모드 전력 컨버터, 전기 모터, 솔레노이드 밸브, 변압기 및 램프 밸러스트)를 포함하는 회로는 PF가 1.0보다 훨씬 낮습니다.
대부분의 전기 부하는 선형이 아닙니다. 비선형 부하의 예로는 스위치 모드 전력 컨버터와 형광등, 전기 용접기 또는 아크로와 같은 아크 방전 장치가 있습니다. 이러한 시스템의 전류는 스위칭 동작으로 차단되므로 전력 시스템 주파수의 배수인 주파수 성분이 전류에 포함됩니다. 왜곡 PF는 부하 전류의 고조파 왜곡으로 부하에 전달되는 평균 전력이 얼마나 감소하는지를 측정합니다.
지상 PF와 진상 PF의 차이점
지상 PF는 전류가 전압보다 떨어짐(뒤에 있음)을 나타내고 진상 PF는 전류가 전압보다 높음(앞에 있음)을 나타냅니다. 유도 부하(예: 유도 모터, 코일 및 일부 램프)의 경우 전류가 전압보다 떨어지므로 지상 PF를 생성합니다. 정전 용량 부하(예: 동기식 콘덴서, 커패시터 뱅크 및 전자 전력 컨버터)의 경우 전류가 전압보다 앞서므로 진상 PF를 생성합니다.
지상 또는 진상 구분은 양수 값 또는 음수 값과 동일시하지 않습니다. PF 값 앞의 음수 및 양수 부호는 사용하는 표준(IEEE 또는 IEC)에 의해 결정됩니다.
IEEE와 IEC의 PF 비교
그림 4의 구성도에서는 IEEE 및 IEC 표준 모두의 kW 전력, 볼트-암페어 무효(var) 전력, 역률, 유도 또는 정전 용량 부하 간의 상관관계를 보여 줍니다. 조직마다 다른 미터법을 사용하여 PF를 분류합니다.
IEC(그림 4의 왼쪽)에 따르면 PF 부호는 단순히 실제 전력 흐름의 방향에 따라 달라지며 유도 부하인지 또는 정전 용량 부하인지에는 관계가 없습니다. IEEE(그림 4의 오른쪽)에 따르면 PF 부호는 단순히 부하의 특성(정전 용량성 또는 유도성)에 따라서만 달라집니다. 이 경우에는 실제 전력 흐름의 방향과 관계가 없습니다. 유도 부하의 경우에는 PF가 음수이며 정전 용량 부하의 경우에는 양수입니다.
PF 표준
EU와 같은 규제 기관에서는 PF를 개선하기 위해 고조파 한도를 지정했습니다. 현재 EU 표준 EN61000-3-2(IEC 61000-3-2에 따름)를 준수하려면, 출력 전력이 75W를 초과하는 모든 스위치 모드 전원 공급 장치는 PFC를 포함해야 합니다. EnergyStar의 80 PLUS 전원 공급 장치 인증에는 정격 출력 전력 100%에서 PF가 0.9 이상이어야 하며 능동 PFC가 있어야 합니다. 본 기사를 작성하는 현재 IEC 표준의 최신 버전은 IEC 61000-3-2:2018, “Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-2: Limits – Limits for harmonic current emissions (equipment input current ≤16 A per phase)”입니다.
보정되지 않은 스위치 모드 전력 컨버터는 최신 PFC 표준을 충족하지 못합니다. PF에 영향을 미치는 한 가지 고려 사항은 사용되는 AC 입력의 유형(단상 또는 3상)입니다. 단상 비보정 스위칭 전원 공급 장치는 일반적으로 PF가 약 0.65 ~ 0.75입니다(위에서 설명한 PF 부호에 대한 IEEE 규칙 사용). 대부분의 장치에서 정류기/커패시터 프런트 엔드를 사용하여 DC 버스 전압을 만들기 때문입니다. 이런 구성에서는 각 라인 사이클의 피크에서만 전류를 인출하여 펄스가 좁고 높은 전류를 생성하므로 PF가 낮아집니다(위의 그림 3 참조).
3상 비보정 스위치 모드 전력 변환기는 PF가 더 높아서 0.85에 이르는 경우에 많습니다(마찬가지로 PF 부호에 IEEE 규칙 사용). 정류기/커패시터를 사용하여 DC 버스 전압을 만들더라도 위상이 3개여서 전체 PF가 추가적으로 향상되기 때문입니다. 그러나 단상이든 3상이든 스위치 모드 전력 컨버터는 능동 PF 보정 회로를 사용하지 않고는 최신 PF 규정을 충족할 수 없습니다.
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[제 2편으로 이어집니다]
와이드 밴드갭 반도체와 디지털 제어를 사용하여 더 효과적인 역률 보정 설계(2)
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